Respostas Rápidas de Especialistas para Perguntas Essenciais de Projeto de PCB

P1: Como escolher material de PCB (Placa de Circuito Impresso)?

R1: O material deve ser selecionado baseado no equilíbrio entre demanda de projeto, produção em volume e custo. A demanda de projeto envolve elementos elétricos que devem ser considerados seriamente no projeto de PCB de alta velocidade. Além disso, constante dielétrica e perda dielétrica devem ser avaliadas se correspondem à frequência.

P2: Como evitar interferência de alta frequência?

R2: O princípio principal para superar interferência de alta frequência é reduzir crosstalk ao máximo, o que pode ser alcançado aumentando a distância entre sinais de alta velocidade e analógicos ou equipando trilhas de guarda (guard traces) ou shunt ao lado de sinais analógicos. Além disso, a interferência de ruído causada pelo terra digital no terra analógico deve ser cuidadosamente considerada.

P3: Como dispor trilhas que transportam sinais diferenciais?

R3: Dois pontos devem ser focados: o comprimento das duas linhas deve ser o mesmo; o espaçamento entre elas deve manter-se paralelo.

P4: Como dispor trilhas diferenciais quando há apenas uma linha de clock na saída?

R4: A premissa para disposição de trilhas diferenciais é que tanto fontes de sinal quanto extremidade receptora sejam sinais diferenciais. Portanto, roteamento diferencial nunca funciona em sinais de clock com apenas uma extremidade de saída.

P5: Resistência casada pode ser adicionada entre pares diferenciais na extremidade receptora?

R5: Resistência casada é geralmente adicionada entre pares diferenciais na extremidade receptora e seu valor é igual à impedância diferencial. Como resultado, a qualidade do sinal será melhor.

P6: Por que trilhas de par diferencial devem ser próximas e paralelas?

R6: Trilhas de par diferencial devem ser adequadamente próximas e paralelas. A distância entre elas é determinada pela impedância diferencial, parâmetro de referência chave no projeto de par diferencial.

P7: Como resolver conflitos entre roteamento manual e auto-roteamento em sinais de alta velocidade?

R7: A maioria dos roteadores automáticos hoje controla o método de roteamento e número de vias definindo condições de restrição. Empresas de EDA diferem muito em métodos de roteamento e configuração de restrições. A dificuldade do roteamento automático está relacionada à capacidade de roteamento. Portanto, este problema pode ser resolvido escolhendo um roteador com alta capacidade de roteamento.

P8: No projeto de PCB de alta velocidade, a área em branco das camadas de sinal pode ser preenchida com cobre. Como o cobre deve ser distribuído em múltiplas camadas de sinal no aterramento e alimentação?

R8: Geralmente, o preenchimento de cobre é conectado ao terra na área em branco. A distância entre o cobre preenchido e as linhas de sinal deve ser estritamente projetada porque o cobre revestido reduz ligeiramente a impedância característica. Enquanto isso, a impedância característica de outras camadas não deve ser influenciada.

P9: A impedância característica no plano de alimentação pode ser calculada pelo modelo de microstrip? O modelo de microstrip pode ser usado em sinais entre plano de alimentação e terra?

R9: Sim. Durante o cálculo de impedância característica, tanto o plano de alimentação quanto o de terra podem ser considerados como plano de referência.

P10: Os pontos de teste gerados por automação em PCB de alta densidade atendem às demandas de teste de produção em massa?

R10: Depende se os regulamentos sobre pontos de teste são compatíveis com os requisitos das máquinas de teste. Além disso, se o roteamento é muito denso e os regulamentos são muito rigorosos, pode não haver como colocar pontos de teste em cada segmento de linha. Métodos manuais podem complementar pontos de teste.

P11: A adição de pontos de teste pode influenciar a qualidade de sinais de alta velocidade?

R11: Depende do método de adição e da velocidade dos sinais. Basicamente, pontos de teste são obtidos adicionando-os às linhas ou puxando um segmento. Ambos os métodos podem afetar sinais de alta velocidade e a extensão do efeito relaciona-se com velocidade de frequência e taxa de borda (edge rate) dos sinais.

P12: Quando várias PCBs são conectadas em um sistema, como as linhas de terra de cada PCB devem ser conectadas?

R12: Baseado na lei de Kirchhoff das correntes, quando potência ou sinais são enviados da Placa A para a Placa B, quantidade equivalente de corrente retornará à Placa A pelo plano de terra e a corrente no plano fluirá de volta pelo caminho de menor impedância. Portanto, o número de pinos dedicados ao plano de terra nunca deve ser muito pequeno em cada interface de interconexão de potência ou sinal, para reduzir impedância e ruído no terra. Além disso, todo o loop de corrente deve ser analisado, especialmente onde a corrente é maior, e a conexão do plano de terra ou linhas de terra ajustada para controlar o fluxo de corrente e diminuir influência em outros sinais sensíveis.

P13: Linhas de terra podem ser adicionadas no meio de linhas de sinal diferencial?

R13: Basicamente, linhas de terra não podem ser adicionadas entre linhas de sinal diferencial porque a maior significância do princípio de sinal diferencial reside na vantagem do acoplamento mútuo entre elas, como cancelamento de fluxo, imunidade a ruído, etc. O efeito de acoplamento será destruído se linhas de terra forem adicionadas entre elas.

P14: Qual o princípio para escolher PCB adequado e ponto de aterramento do chassi?

R14: O princípio é aproveitar o terra do chassi para fornecer caminho de baixa impedância à corrente de retorno e controlar o caminho desta corrente. Por exemplo, parafuso pode ser usado perto de componente de alta frequência ou gerador de clock para conectar o plano de terra da PCB ao terra do chassi, reduzindo a área total do loop de corrente ao máximo, ou seja, reduzindo interferência eletromagnética.

P15: Onde deve começar a depuração (debug) de PCB?

R15: Quanto a circuito digital, as seguintes coisas devem ser feitas em ordem. Primeiro, todos os valores de potência devem ser confirmados para atingir média o requisito de projeto. Segundo, todas as frequências de sinal de clock devem ser confirmadas para funcionar normalmente e não há problema não monotônico na borda. Terceiro, sinais de reset devem atender ao requisito padrão. Se confirmados, o chip enviará sinais no primeiro ciclo. Então, a depuração será baseada no protocolo de execução do sistema e protocolo de barramento.

P16: Qual a melhor forma de projetar PCB de alta velocidade e alta densidade com área da placa fixa?

R16: No projeto de PCB de alta velocidade e alta densidade, crosstalk deve ser especialmente focado pois afeta muito timing e integridade de sinal. Soluções: 1) Controlar continuidade e casamento da impedância característica do roteamento. 2) Observar espaçamento, normalmente duas vezes a largura da linha. 3) Escolher métodos de terminação adequados. 4) Roteamento em camadas adjacentes em direções diferentes. 5) Vias cegas/enterradas podem aumentar área de roteamento. Além disso, terminação diferencial e de modo comum devem ser mantidas para reduzir influência em timing e integridade de sinal.

P17: Circuito LC é geralmente aplicado para filtrar ruído na alimentação analógica. Por que LC às vezes performa melhor que RC?

R17: A comparação entre LC e RC deve basear-se se banda de frequência e indutância são adequadamente selecionadas. Como reatância da indutância correlaciona-se com indutância e frequência, se a frequência de ruído da alimentação é muito baixa e a indutância não é alta o suficiente, LC performa pior que RC. No entanto, uma desvantagem do RC é que o resistor consome energia com baixa eficiência.

P18: Qual a forma ideal de atender requisito EMC sem pressão de custo?

R18: PCB sofre custo maior devido a EMC geralmente porque contagem de camadas aumenta para fortalecer blindagem e componentes são preparados como ferrite bead ou choke para deter componentes harmônicos de alta frequência. Outras estruturas de blindagem em outros sistemas também devem ser usadas. Primeiro, componentes com baixa taxa de subida (slew rate) devem ser aplicados o máximo possível para diminuir porções de alta frequência geradas por sinais. Segundo, componentes de alta frequência nunca devem ser colocados muito perto de conectores externos. Terceiro, casamento de impedância, camada de roteamento e caminho de corrente de retorno de sinais de alta velocidade devem ser cuidadosamente projetados para reduzir reflexão e radiação de alta frequência. Quarto, capacitores de desacoplamento suficientes devem ser colocados nos pinos de alimentação para reduzir ruído nos planos de alimentação e terra. Quinto, o terra perto do conector externo pode ser separado do plano de terra e o terra do conector deve ficar próximo ao terra do chassi.

P19: Quando uma PCB tem múltiplos módulos digital/analógico, a solução ordinária é dividí-los. Por quê?

R19: A razão para dividir módulos digital e analógico é que ruído é geralmente gerado na alimentação e terra na comutação de potencial alto/baixo e a extensão do ruído relaciona-se com velocidade do sinal e quantidade de corrente. Se módulos analógico e digital não são divididos e o ruído do módulo digital é maior e o circuito na área analógica é similar, mesmo que sinais analógicos e digitais não se cruzem, sinais analógicos ainda serão afetados pelo ruído.

P20: No projeto de PCB de alta velocidade, como o casamento de impedância deve ser implementado?

R20: Quanto a projeto de PCB de alta velocidade, casamento de impedância é uma das principais considerações. Impedância tem relação absoluta com roteamento. Por exemplo, impedância característica é determinada por elementos incluindo espaçamento entre microstrip ou stripline/dupla stripline e camada de referência, largura do roteamento, material da PCB, etc. Diferentemente, impedância característica nunca pode ser determinada até o roteamento. A solução essencial é evitar descontinuidade de impedância ao máximo.

P21: No processo de projeto de PCB de alta velocidade, quais medidas devem ser consideradas para EMC/EMI?

R21: Geralmente, projeto EMI/EMC deve ser considerado tanto em aspectos irradiados quanto conduzidos. O primeiro pertence à porção de frequência mais alta (mais de 30 MHz) enquanto o segundo à porção mais baixa (menos de 30 MHz). Portanto, ambas as porções de alta e baixa frequência devem ser notadas. Um bom projeto EMI/EMC deve começar da colocação de componentes, stackup da PCB, roteamento, seleção de componentes, etc. Se esses aspectos forem deixados de lado, o custo possivelmente subirá. Por exemplo, gerador de clock não deve ficar próximo a conector externo tanto quanto possível. Além disso, pontos de conexão devem ser propriamente selecionados entre PCB e chassi.

P22: O que é topologia de roteamento?

R22: Topologia de roteamento, também chamada ordem de roteamento, refere-se à ordem de roteamento em termos de rede com múltiplos terminadores.

P23: Como a topologia de roteamento deve ser ajustada para aumentar integridade de sinal?

R23: Este tipo de sinais de rede é tão complexo que a topologia difere baseada em diferentes direções, níveis, tipos de sinais. Portanto, é difícil julgar qual tipo de sinais é benéfico à qualidade do sinal.

P24: Qual a razão para preenchimento de cobre?

R24: Geralmente há alguns motivos para preenchimento de cobre. Primeiro, preenchimento massivo de terra ou alimentação terá efeito de blindagem e alguns terras especiais, PGND por exemplo, podem ter papel de proteção. Segundo, para garantir alto desempenho de eletrodeposição ou evitar deformação na laminação, cobre deve ser preenchido em PCB com pouco roteamento. Terceiro, preenchimento deriva do requisito de integridade de sinal. Caminho de retorno completo deve ser fornecido a sinais digitais de alta frequência e roteamento de rede DC deve ser reduzido. Além disso, dissipação térmica deve ser considerada.

P25: O que é corrente de retorno (return current)?

R25: Conforme sinais digitais de alta velocidade operam, sinais fluem do driver para o condutor junto à linha de transmissão da PCB e então retornam ao terminal do driver pelo caminho mais curto junto ao terra ou alimentação. Os sinais de retorno no terra ou alimentação são chamados corrente de retorno.

P26: Quantos tipos de terminação existem?

R26: Terminação, também chamada matching, é geralmente classificada em terminação de fonte e terminação de terminal. A primeira refere-se a resistor em série enquanto a segunda a matching em paralelo. Muitos métodos estão disponíveis, incluindo pull-up, pull-down, matching de Thevenin, matching AC, matching com diodo Schottky, etc.

P27: Quais elementos determinam tipos de matching?

R27: Tipo de matching é geralmente determinado por características do BUFFER, topologia, classificações de nível e tipo de julgamento. Além disso, ciclo de trabalho do sinal e consumo de energia do sistema devem ser considerados.

P28: Que inspeção deve ser realizada na PCB antes de sair da fábrica?

R28: A maioria dos fabricantes implementa teste de continuidade (on-off test) nas PCBs antes de saírem da fábrica para garantir que todos os circuitos estão corretamente conectados. Até agora, alguns fabricantes avançados realizam inspeção por raio-X para encontrar obstáculos na gravação ou laminação. Para produtos em montagem SMT, ICT é geralmente aplicado, exigindo definição de pontos de teste ICT na fase de projeto. Assim que problemas ocorrem, inspeção especial de raio-X também pode ser usada.

P29: Para um circuito composto por várias PCBs, elas devem compartilhar o mesmo terra?

R29: Um circuito composto por várias PCBs deve normalmente compartilhar o mesmo terra porque é impraticável aplicar várias fontes em um único circuito. Claro, se suas condições permitem, fontes diferentes podem ser usadas. Afinal, isso ajudará a reduzir interferência.

P30: Como ESD deve ser considerado por um sistema contendo DSP e PLD?

R30: Quanto a sistemas comuns, as porções com contato direto com humanos devem ser consideradas primeiro e proteções adequadas feitas no circuito e estruturas. A extensão da influência do ESD no sistema é geralmente determinada conforme diferentes situações. Em ambiente seco, ESD piora, especialmente em sistemas mais sensíveis. Mesmo que sistemas maiores tenham efeito não óbvio no ESD, mais atenção também deve ser dada.

P31: No projeto de PCB de 4 camadas, qual lado deve receber preenchimento de cobre em ambos os lados?

R31: Os seguintes aspectos devem ser considerados para preenchimento de cobre: blindagem, dissipação térmica, reforço e demanda de fabricação de PCB. Portanto, o motivo principal deve ser considerado. Por exemplo, em projeto de PCB de alta velocidade, blindagem deve ser mais considerada. Aterramento de superfície beneficia EMC e preenchimento deve ser completo no caso de ilha isolada. Geralmente, se componentes na superfície recebem muito roteamento, será difícil manter folha de cobre completa. Portanto, sugere-se que placas com muitos componentes de superfície ou muito roteamento não sejam preenchidas com cobre.

P32: No processo de roteamento de clock, é necessário adicionar blindagem de terra em ambos os lados?

R32: Depende de crosstalk ou EMI da placa. Se linhas de terra de blindagem não são processadas propriamente, trarão efeitos ruins ao contrário.

P33: Qual a estratégia de roteamento de clock para sinais em diferentes frequências?

R33: Em termos de roteamento para linhas de clock, análise de integridade de sinal deve ser feita primeiro e princípios de roteamento manipulados. Então é hora de implementar roteamento baseado nos princípios.

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